게임 기획 및 디자인
Received: Sep. 11. 2019 Revised: Oct. 14. 2019 Accepted: Oct. 17. 2019
Corresponding Author: Tack Woo(Kyung Hee University) E-mail: [email protected]
ISSN: 1598-4540 / eISSN: 2287-8211
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드론 기초 운항법 교육을 위한 가상드론 트레이닝 콘텐츠 제작※
박민아, 윤찬, 우탁
경희대학교 예술디자인대학 디지털콘텐츠학과 {231018}@naver.com, {yunchan, twoo}@khu.ac.kr
Developing a Virtual Drone Flight Training Contents for Beginner
Min-Ah Park, Chan Yun, Tack Woo
Digital Contents Dept, College of Art & Design. Kyung Hee University
요 약
드론 시장이 확산되고 있는데 비하여, 가장 기본적인 드론의 기초 운항법을 위한 트레이닝 콘텐츠 개발은 상대적으로 미비한 편이다. 이에, 본 연구에서는 실제 드론 트레이닝에 사용되고 있는 다양한 드론 운항법에 대한 문헌들과 관련 콘텐츠 등을 분석하여, 조작능력 향상을 위한, 게임 환경에서의 트레이닝 콘텐츠를 기획하였다. 그리고 실제 드론 조작에 사용되는 컨트롤러 를 XBOX 게임 콘트롤러에 키 맵핑하여, 게임을 통해 실제 드론 트레이닝이 가능하도록 콘텐츠 를 구현하였다. 추후 연구에서는 본 연구를 기반으로 개발된 기초 운항법 트레이닝 콘텐츠를 기초로 둔 특수목적용 드론 콘텐츠 제작을 진행하고자 한다.
ABSTRACT
A drone market is growing fast. Nevertheless, basic drone flight training contents are not actively developing or studying. For solving this problem, first, the researcher has studied a method of training basic drone flight skills and analyzed various existing drone training contents. Then, the researcher designed a game via the researched method above that trains drone flight skills. The modern gamepad, like an Xbox controller, was key mapped to operate as a standard drone radio controller. Further research will develop drone training content for specialized purpose fields.
Keywords : Virtual Reality(가상현실), Gamification(게임화), Serious Game(기능성게임), Drone (드론)
1. 서 론
1.1. 연구 배경
드론(Drone)은 비행기나 헬리콥터와 유사한 형 태로 제작된 소형 무인 비행체를 지칭한다. 최근 에 드론 기술들이 발전을 거듭하면서 경찰의 도 난 차량 추적이나 마약 수사, 재난 지역의 실종 자 수색, 미디어 업계의 항공 촬영 등의 활용 범 위가 확산하는 추세이다[1]. 또한, 2018년 한국항 공우주연구원의 세계 상용 드론 시장 현황 및 전 망에 따르면, 2016년부터 2021년까지의 전체 시 장 중 상용 드론 시장의 연평균 성장률이 35.27%로, 앞서 언급한 전체 드론 시장 중 상용 드론 시장 비중이 점차 확대된다고 전망했다.
2021년에는 시장 규모가 약 87억 달러 수준에 이 를 것으로 전망되고, 이를 통해 개인 소비자의 드론에 관한 관심도 급증하고 있다는 사실을 알 수 있다[2]. 드론에 관한 관심이 급증함과 동시에 개인은 취미생활로써, 또한 직업으로써 드론을 배우고자 하는 욕구가 커지고 있다. 하지만 이에 반해 현재 상황에서는 일반인이 직접 드론을 구 매하고 드론 운항법을 완전히 습득하기까지 많은 한계점이 존재한다.
첫 번째로, 기기 구매의 한계가 있다. 처음 드 론을 접하는 초보자의 경우 나에게 맞는 드론을 찾고 구매하기까지의 어려움이 있다. 12kg 이상 기준 드론 기체의 경우 고가이며, 저렴한 기체를 구매한다 하더라도 드론 조작이 익숙하지 않은 초보자의 경우 사고 및 파손확률이 높아 초기 드 론 수리에 대한 비용적 부담이 크기 때문에 일반 인이 직접 기기를 구매할 때의 한계가 존재한다.
두 번째로는 교육비용의 한계가 있다. 전문적인 드론 교육 자격증을 습득하고자 하더라도 가장 먼저 취득해야 하는 ‘국가 자격 드론 조종사 시 험’의 경우 국토교통부에서 지정한 기관에서 교 육을 받으면 3주 비용은 300~700만 원으로 적지 않은 비용이다. 또한, 교육을 받으면 보통 4인이 나 8인으로 이루어져 개인 트레이닝 시간이 현저
히 적으며, 진행할 때에 기상 악화 등 문제가 생 기면 트레이닝 시간은 더욱이 단축된다. 세 번째 로는 비행 금지구역이 있다. 국내에는 드론 비행 장이 많지 않을뿐더러 드론 연습장의 경우 일정 크기 이상의 공간이 있어야 하므로 지방에 있는 곳이 많다. 또한, 주변에 비행장이 있더라도 모든 곳이 드론을 조종할 수 있는 공간은 아니며, 비 행 금지구역 및 촬영 허가 지역 등을 확인하여 항공법 및 드론 규제사항을 준수하며 비행해야 하는 등 문제점이 존재한다. 선행 사례를 살펴볼 때 사람들이 비용 및 환경적 제약을 받지 않고 별도로 드론 트레이닝을 받을 수 있는 트레이닝 콘텐츠 개발에 대한 수요 및 필요성은 매우 높다 고 할 수 있다.
1.2. 연구 목적 및 방법론
[Table 1] Research Process for Drone Training Contents
1 Literature & Education Process Review
2 Case Study
3 Extract Game Elements for Drone Training Contents
4 Design Training Contents
5 Develop a Drone Training Contents
드론은 20세기 초에 군사업무용으로 개발되어 정찰·감시 등과 같은 군사업무를 수행하여 왔다.
최근에 들어서는 독일 DHL, 아마존, 구글 등과
같은 다국적 기업들이 상업적 용도로 활용을 선
언하며 연구 개발에 뛰어 들면서 그 시장이 예상
보다 빨리 커지고 있다[3]. 드론 시장은 빠르게
성장하고 있는데 반해, 가장 기본적인 드론의 기
초 운항법을 학습하기 위한 트레이닝 개발은 상
대적으로 미비한 편이다. 따라서 본 논문은 드론 을 시작하는 초보자를 위한 드론 기초 운항법 트 레이닝 콘텐츠 개발의 목적을 둔다.
본 논문에서는 드론 조종 관련 도서, 기존의 가상현실을 활용한 드론 트레이닝 콘텐츠 그리고 최근 드론 교육과정 등을 분석한다. 이후에 드론 조작에 있어 공통으로 언급되는 요소를 분석하 여, 실제 드론 기초 운항법을 반복적으로 학습할 수 있는 트레이닝 콘텐츠를 제작한다[Table 1].
2. 기존 드론 교육 분석
2.1 도서 교재를 활용한 드론 교육
[Table 2] Drone training using book [4,5,6,7,8]
Author Title Contents
Gwon Yongsang
FPV Racing Drone Bible
(2018)
Drone flight training Ana
drone Starting
My First drone start
(2017)
Basic Manipulation,
Hovering Jang
Seonggi, Baek Okhui
Drone Meets a New World
(2016)
Drone Basic Terminology, Drone Steering
Takahashi Toru
Fly Drones:
The Hobby (2016)
Basic Operations, Aerial Photography Adam
Juniper
Drone Instruction Manual (2015)
Roll, pitch, yaw, throttle Key skills
2018년 교보문고 판매량 기준 ‘드론’이라는 키 워드를 검색하였을 때 조작방법에 관한 내용을 담은 5종의 서적을 분석한 정리는 [Table 2]와 같다. 교재마다 경주, 영상촬영 등 조금씩 다른 분야의 드론을 언급하고 있으나 시작에서 공통으 로 언급하고 있는 기초 조작법은 아래와 같다.
① 롤(Roll): 레이싱 드론을 좌우로 기울이기 위 해 회전하는 동작을 롤이라고 한다. 롤은 기체가 회전하기 위한 기본 동작으로 기울이는 방향의 반 대편 모터를 더 빠르게 회전시켜 움직이게 된다.
② 피치(Pitch): 드론이 앞쪽으로 전진할 수 있 는 것은 양력에 의해 수직으로 상승하는 드론을 앞쪽으로 기울여 주었기 때문이며 기울인 기체의 각도를 피치라고 한다.
③ 요(Yaw): 드론이 좌우로 회전하는 움직임이다.
④ 스로틀(Throttle): 프로펠러가 빠르게 회전 하면서 날개 아래의 압력이 높아지므로 드론 수 직 상승을 도와준다[9].
⑤ 호버링(Hovering): 드론이 일정한 고도를 유지한 채 움직이지 않는 상태이다.
2.2 드론 국가자격증
드론 국가자격증 교육의 경우, 학과 이론, 모의
비행, 실무비행으로 이루어지며 실무비행 평가내
용은 8가지로 확인할 수 있었다[Table 3]. 본 논문
에서 다루고자 하는 드론 기초 운항법 부분은 이
론 및 비상조작을 제외한 이륙 및 공중 조작 평가
기준 부분부터 착륙조작에 관련한 평가 기준까지
총 7가지 부분이다. 드론을 직접 운항하는 데 중
점을 두었으며 호버링, 삼각비행, 원주비행의 공통
으로 보였던 평가 기준은 ‘속도, 고도, 경로 등 기
체를 일정하게 유지할 수 있는 것’ 이였다[10].
[Table 3] Ultralight Pilot System (Unmanned Multi-copter) Practical Test Score Sheet [11]
Practical test (takeoff and air operation)
9 Takeoff
10 Aerial Stop Flight (Hovering)
11 Straight and reverse horizontal flight
12 Triangular flight
13 Rudderton
14 Emergency operation Practical test (landing operation) 15 Normal approach and landing
16 Crosswind Approach and Landing
2.3 가상현실을 활용한
드론 트레이닝 콘텐츠 선행연구 분석
2.3.1 연구 분석
[Fig. 1] Design and Implementation of Serious VR Game for Drone Control Training
최준호는 드론 조종훈련을 위한 기능성 VR 게 임 설계 및 구현을 진행하였는데, VR의 특성인 몰입감과 게임의 재미 요소를 포함하고 있어 드 론 조종훈련의 근본적인 어려움을 완화해 줄 수 있다고 하였다[12].
[Fig. 2] Drone S
김정은은 드론 레이싱 장애물 특징을 적용한 정 적 장애물과 동적 장애물을 디자인하여 레이싱 드 론 조종훈련을 위한 VR 콘텐츠 제작하였다[13]. 위 사례는 모두 가상현실 기반 드론 콘텐츠 연구 사례 로 목표, 규칙 등 게임요소를 반영한 드론 연구의 트렌드를 볼 수 있으나 재미에 중점을 두어 가장 기초적인 드론조작을 중점적으로 다루지는 않았기 때문에 본 연구에서는 기존 연구에서 미흡했던 드 론 기초운항법 중심으로 콘텐츠를 개발하였다.
2.3.2 콘텐츠 분석
[Fig. 3] DJI simulator[14]
DJI는 중국 실리콘 밸리의 본사를 둔 소비자
용 드론 제작업체로 영화 산업, 농업, 환경 보호,
수색 구조, 에너지 산업 등 다양한 분야의 드론
하드웨어를 개발하고 있다[15]. DJI에서 개발한
simulator의 경우 실제 DJI 드론을 사용하여 시
뮬레이션을 진행할 수 있는 프로그램을 제공하고
있다. 높은 품질의 모델링과 환경을 제공하고 있
으나 DJI 드론 한정이라는 한계를 가지고 있다.
[Fig. 4] D.R.L. Racing League Simulator[16]
D.R.L.의 경우 Drone Racing League의 약자로 드론 조작부터 멀티플레이까지 튜토리얼부터 플 레이까지 실제 드론 레이싱을 경험해 볼 수 있는 시뮬레이터이다. 실제 드론의 소리 및 사실적인 모델링을 통해 플레이어에게 사실적인 경험을 제 공하나 목적에 있어 드론 레이싱을 목적으로 하 고 있어서 기초적인 드론 운항법 교육에 주 초점 이 맞춰져 있지는 않다.
3. 가상드론 트레이닝 콘텐츠 제작
3.1 가상드론이란
본 연구에서 사용되는 가상의 드론은 실제 드론 의 움직임을 가상현실에서 모방하는 것이 아닌, 드 론이 갖는 부품들의 물리적인 무게, 출력값, 공기저 항 값, 탄력 등을 물리적으로 계산하여 시뮬레이션 되어야 한다. 이를 위해, Nemati가 제안한 가상에서 드론의 움직임을 시뮬레이션하기 위한 개발 방법을 사용하였다[17]. Nemati는 4개의 Rotor가 있는 Quadcopter의 6축 움직임을 표현하는 방법을 제시 하고 있다. 본 연구를 통해 만들어진 가상드론은 Nemati의 개발 방법 연구를 확장하여 ESC (Electronic Speed Control), FC (Flight Controller), Rotor, Body Frame, Camera, Battery 등의 기본 부 품이 모듈화되어 작동하도록 개발하였다.
또한 PID (Proportional-Integral-Differential) 조절기능, CFD (Computational Fluid Dynamics) 기술 등이 적용되어 있다. 이러한 물리 시뮬레이
션 기술은 실제 드론과 다른 조작감의 괴리를 최 소화 할 수 있다.
이러한 가상드론의 기능을 통해 본 연구에서 만들어진 트레이닝 코스가 기체의 특성에 따라 다르게 느껴질 수 있게 된다. 드론을 단순히 직 진하여 특정 위치에 멈추는 것이 기체의 무게에 따라 제동거리나 드론의 모터 출력값에 영향을 미치게 되어 난이도가 변화할 수 있는 것이다.
재난, 구조, 화재진압, 농업 등의 특수한 목적 을 가진 드론들은 작업을 수행하기 위해 별도의 장비를 부착하게 된다. 이러한 특징을 잘 살릴 수 있도록 가상드론이 필수적으로 사용되었다.
3.2 조작방법
[Fig. 5] Xbox One Controller[18] / AT9 Controller[19]
기본 조작방법은 실제 드론 컨트롤러인 AT9
의 작동원리에 따라 정확히 구성하도록 한다. 즉
실제 드론이 움직이는 방법 및 물리적인 메커니
즘을 게임 사용자가 XBOX 컨트롤러를 통해 작
동할 수 있도록 제작하였다.
[Table 4] User Interface Input Mapping
Operation Xbox One AT9
Throttle Left stick Vertical
Input Channel 3 Pitch Right stick
Vertical
Input Channel 1
Yaw Left Stick
Horizontal
Input Chabbel 4 Roll Right stick
Horizontal
Input Channel 2
[Table 5] User Interface Input Mapping
Operation Xbox One AT9
Pause Menu END Key
Move Cross Dial
Selection A Push Key
Cancel B MODE Key
[Fig. 6] Lockheed Martin Photo[20]
이러한 비슷한 사례는 미 해군에서 또한 볼 수 있는데[Fig. 6], 기존 잠수함의 무겁고 비싼 조이 스틱을 조금 더 원활하게 사용하기 위한 방향으 로 XBOX 컨트롤러를 사용하였고, Lockheed Martind 사이트에서 이 기술은 테스트한 선원들 은 ‘기존의 전용 조이스틱으로는 조종법을 익힐 때까지 오랜 시간이 걸렸던 반면, 엑스박스 컨트 롤러를 통해 짧은 시간 더 직관적으로 조종을 할 수 있다[21]’라고 말할 만큼 효과적인 조작방법임 을 알 수 있다.
3.3 드론 트레이닝 요소
본 드론 기초항공법 콘텐츠의 주 트레이닝 요소 는 총 3가지의 Checkpoint 형식으로 이루어진다.
위 내용은 드론 국가자격증 평가 기준에 있어
‘속도, 고도, 경로 등 기체를 일정하게 유지할 수 있는 것’ 부분을 반영하여, 사용자가 학습에 있어 최대한 침착한 플레이를 할 수 있도록 Checkpoint 성격에 있어 방향, 각도, 일정 시간 등 특정 상황의 이중 트레이닝 요소를 넣은 것이 라고 할 수 있다.
Type. 1은 전진, 후진, 등 일정한 기본조작을 연습해야 하는 포인트에서 사용하였으며, Type.
2의 경우 추후 8자 비행이나 뱅크턴 등 기체의 각도를 신경 써야 하는 부분에서 사용, Type. 3 의 경우 호버링과 같이 일정 고도의 드론을 유지 해야 할 포인트에서 요소를 사용하는 등 사용자 가 더욱 쉽게 항공법을 습득할 수 있도록 요소를 구성하였다.
[Table 6] Drone Training check point type Explanation
Type. 1 It is checked if you only move the checkpoint in one direction
Type. 2
It is checked only by adjusting the angle according to each content.
The guide dialog is generated with sound.
Type. 3
The checkpoint is checked only after a certain time. The remaining
time when the checkpoint is displayed.
3.4 드론 트레이닝 세부 규칙 및 설계
3.4.1 드론 트레이닝 시스템
본 연구를 통해 개발한 드론 트레이닝 콘텐츠
는 주어지는 미션을 해결하는 트레이닝 방식으로
이루어진다. 플레이어는 단계별 미션을 진행할
때마다 나오는 다이얼로그(Dialogue)를 따라 해 결해야 하며, 필요에 따라 First-Person View (FPV) 비행을 진행할 수 있다.
[Table 7] Drone Training Rank
A B C D
Very
difficult Difficult Normal Easy
게임의 결과는 난이도에 따라 A, B, C, D 단 계로 나누어 평가되며 각 랭크에 대한 기준은 미 션 수행에 대한 ‘시간’으로 결정된다. C, D의 랭 크를 받으면 플레이어는 재평가가 진행된다.
3.4.2 게임 레벨에서의 트레이닝 구성
[Table 8] Drone Training Level Explanation
Level 1
- Operation Take-off, landing, turn, forward, backward, pan - Hovering 10 seconds based on
three heights
Level 2
- Landing target point - Continuous landing at the target
point
- Landing at target point - Continuous landing at the target
point rotation
Level 3
- Horizontal obstacle passing - Angular obstacle passing - Landing after passing an obstacle
게임 레벨에서의 트레이닝 내용은 문헌 및 자 격증 평가에 사용되는 조작법을 기본조작단위로 나누어 3개의 레벨과 9개의 스테이지로 구성하였 다. 이를 통해 사용자가 실무비행의 부족한 부분 을 선택하여 반복 학습할 수 있도록 하였다.
레벨 1과 레벨 2에서는 기본 조작부터 호버링 그리고 국가자격증 평가 기준에서 사용되는 삼각 비행과 원주비행을 반복적으로 학습할 수 있도록 구성하였다. 또한 레벨 3은 더 나아가 장애물 및
다양한 각도에서의 비행까지보다 다양한 비행 학 습 습득이 가능하도록 설계하였다.
3.5 가상 드론 트레이닝 콘텐츠
[Fig. 7] Drone Training Contents Main
[Fig. 7] 트레이닝 메인화면의 경우 사용자가 레벨 1부터 시작할 수 있는 ‘START’와 직접 레 벨을 선택할 수 있는 ‘SELECT STAGE’로 구성 하였다. ‘SELECT STAGE‘메뉴의 경우 사용자가 자신이 배우고 싶거나 부족한 부분을 선택하여 진행할 수 있도록 제작하였다.
[Fig. 8] Drone Training Contents
[Fig. 9] Drone Training Contents
[Fig. 8], [Fig. 9] 레벨 1의 경우 바닥에 화살
표를 제작하여, 사용자가 움직여야 하는 방향을 안내하였다. 다이얼로그를 통해 플레이 방법을 안내하며, 진행될 경우 다음 다이얼로그가 등장 하여 게임을 진행할 수 있도록 구현하였다.
[Fig. 10] Drone Training Contents Main
[Fig. 11] Drone Training Contents
[Fig. 10], [Fig. 11] 레벨 2의 경우 레벨 1 [Fig. 8], [Fig. 9]와 마찬가지로 바닥에 화살표를 제작하였다. 그리고 사용자가 움직여야 하는 방향 을 안내하였으며, 레벨2 중 [Fig. 11] STAGE에서 는 최종 Checkpoint의 경우 일반 Checkpoint와 색 을 달리하여 표기하여, 확인이 용이하게 하였다.
[Fig. 12] Drone Training Contents
[Fig. 12] 레벨 3의 경우 레벨 1, 2와 마찬가지 로 바닥에 화살표를 제작하여, 사용자가 움직여 야 하는 방향을 안내하였으며, 최종 Checkpoint 의 경우 일반 Checkpoint와 색을 달리하여 표기 하였다. 또한, 회전 코스 및 장애물의 경우 드론 트레이닝 및 레이싱의 실제 사용되는 장애물을 사용하였으며, 방향의 경우 레벨 내의 벽을 설치 하여 더욱 쉽게 방향을 이동할 수 있도록 구현하 였다.
4. 결론 및 제언
[Table 9] Drone Training Content Suggestions Photograph Training
Course making for vertical triangular flight
of more than 4m
Rescue
Tube throwing drone for lifesaving
Farming
Drones spraying water in first person view
Delivery
Delivery training that allows you to learn long
flights from 10m or higher Course
General Training Courses
지금까지 가상현실 기반의 드론 기초 운항법 교육을 위한 가상드론 트레이닝 콘텐츠 개발 사 례를 통해 드론 조작능력 향상을 위한 방향에 대 해 모색해 보았다. 본 논문에서는 기존 드론 기 초항공법 교육을 위한 트레이닝 콘텐츠를 게임이 라는 가상현실 환경에서 제작해보았으며 이를 통 해 실제 드론 조작 습득에서 문제가 되었던 충돌 에 의한 파손 및 부품 교체 등의 비용적인 문제 뿐만 아니라 드론 트레이닝 진행의 큰 문제였던 환경적 제약을 줄이려는 노력을 시도하였다. 이 에 후속 연구에서는 현재의 드론 트레이닝 콘텐 츠를 바탕으로 현재 다양한 분야에서 활용되고 있는 분야의 실력을 숙련시킬 수 있는 트레이닝 콘텐츠에 대해 고민해보고자 한다. [Table 9]는 기초 운항법 트레이닝 콘텐츠를 기초로 둔 촬영, 구조, 농업, 배달, 레이싱 등의 특수목적용 드론 콘텐츠 제작 프로토타입이다. 위와 같이 많은 분 야에서 활용되는 만큼 각 분야마다 드론 조종기 의 종류 또한 다르고 많다. 때문에 각 분야에 맞 는 기초 운항법을 교육하기 위해서는 다양한 드 론의 조종기를 지원할 필요성이 있다. 향후 초심 자 뿐만 아닌 특수목적 전문가들이 보다 효과적 인 드론 기초 운항법을 학습할 수 있도록 프로토 타입 제작시 Xbox 컨트롤러, PS4 컨트롤러와 같 은 범용적인 게임패드부터 실제 드론 운항에 사 용되는 드론 조종기들이 최대한 많이 지원 할 수 있도록 고려할 예정이다. 제작된 기초 운항법을 활용하는 실제 트레이닝 콘텐츠 프로토타입을 제 작하여 각 분야에 교육적 효과가 있을지 검증해 야 한다. 각 분야마다 드론의 활용방법과 운항 방법이 상이하기 때문에 효과성 검증은 해당 분 야의 전문가를 섭외하여 설문 및 FGI 방법을 사 용하고자 한다.
ACKNOWLEDGMENTS
* This research is supported by Ministry of Culture, Sports and Tourism(MCST) and Kore a Creative Content Agency(KOCCA) in the Cul ture Technology(CT) Research & Development Program 2017.
REFERENCES
